1．生物质能
在日常生活中，生物质能虽然远不如化石能源那么引人注目，但它一直是人类赖以生存的重要能源，仅次于煤炭、石油和天然气，居世界能源消费总量的第四位。人类利用生物质的历史极其漫长，薪柴秸秆的直接燃烧利用，曾给人类的生存发展带来极大的支撑。目前人类对生物质能的利用方式多种多样，可以作为燃料直接和间接燃烧，也可以通过热化学转换和生物化学转换的方式，对生物质能进行利用，如生物质气化和液化、沼气发酵、生物质发电等。
生物质资源类型多样，如果还是用原始的燃烧方式，不仅会导致大量污染，同时在利用效率方面也很难令人满意。所以这些不同种类的生物质资源，通常需要被转化为方便人们使用的更清洁的存在形式。比如转化为更密实的固体，转化为与石油产品兼容的液体，或者方便使用而又更加清洁的气体。根据转化原理的不同，生物质转化技术可以分为物理转化、化学转化和生物转化。
生物质的物理转化是指生物质的固化，将松散、低热值的生物质通过压力作用，制成棒状、颗粒状、块状等各种成型燃料。该技术大大提高了单位体积燃料的品质，便于储存和运输。
生物质的化学转化主要包括直接燃烧、热解、气化和液化等。直接燃烧就是把生物质燃烧产生的热量用于发电或供热。在农村，各家各户烧柴做饭就是直接燃烧的利用方式。热解就是将生物质在无氧条件下加热，或在缺氧条件下不完全燃烧后，转化成高能量密度的气体、液体或固体燃料。我们平时烧烤用的木炭就是先将生物质物理固化成型后，再用热解处理的方法制备而成的固体燃料。
生物质气化原料主要为秸秆、木屑、稻壳、酒糟、药渣等大多数农林工业生物质废弃物。原理是将生物质控制在一定氧含量的条件下，通过高温热解气化将固体生物质转化成主要成分为一氧化碳、氢气、甲烷、烃类等的可燃气体，经过净化后可以用于集中供气、供热、发电、合成化学品等。
生物质液化通常包括热化学和生物化学方法。热化学方法是指在高温高压条件下进行的生物质热化学转化过程，通过液化可将生物质转化成高热值的液体产物。目前，生物柴油的制备主要是通过生物质液化过程实现的。将动物和植物油脂与甲醇或乙醇等低碳醇，在酸或者碱性催化剂和高温（230～250℃）下进行酯交换反应，生产相应的脂肪酸甲酯或乙酯，再经洗涤干燥即得生物柴油。生物化学法包括生物质的沼气转化和乙醇转化技术。从字面上就可以看出，生物沼气采用了厌氧发酵作用的沼气转化技术，燃料乙醇则是采用了生物发酵的乙醇转化技术。
通过生物质转化技术，人们可以从可再生的生物质当中提取出能量密度较高的，与煤炭、石油等传统能源产品兼容性很好的固体、液体和气体能源，最大限度地保留和利用了化石能源时代的动力与热力设施，减少了大规模替代传统化石能源造成的损失。生物质能源转化技术成为人们竞相研发的热点，也许在未来依靠生物质转化技术仍能保留燃油发动机的广泛应用，人们仍有机会体验内燃机那种充满激情的轰鸣。
生物质能既是最原始的能源种类，也是新兴可再生能源的代表，还是唯一不干扰自然碳循环的含碳能源。诸多身份合一的生物质能近年来在世界范围内广受重视，成为许多国家能源结构调整的重要支柱。生物质能源的应用领域非常宽广，可以直接作为燃料获取热能，也可以用来发电，还可以制成气体、液体及固体的燃料用于工业化能源供应。
在欧洲，生物质发电多与燃煤发电耦合运行，世界上最大的混烧生物质电厂是芬兰的OyAlholmensKraft电厂，每小时燃烧800立方米燃料，容量为265兆瓦，该厂使用的锅炉是世界上最大的循环流化床锅炉，能够以任意比例混烧生物质燃料，目前其生物质燃料占比约45％。
生物柴油最早在1895年由德国工程师鲁道夫·狄塞尔提出，德国、美国、巴西等是研究和应用生物柴油最早的国家。1980年美国制定了国家能源政策，明确提出以生物柴油替代石化柴油战略，目的在于促进本国可再生能源应用。其他欧洲国家也非常重视低碳技术，这使欧盟成为目前世界上生物柴油最大产销区。
燃料乙醇领域的领头羊是美国与巴西。美国燃料乙醇产业在20世纪70年代石油危机之后起步，经过40多年的发展，在产量、产能、市场、技术等方面均处于全球领先水平，是世界燃料乙醇产量最高的国家，2020年产量约占全球总产量的53％。巴西是最早大规模使用乙醇作为石油替代燃料的国家，早在1975年，巴西政府就制定了大力发展燃料乙醇的行动计划。2020年巴西燃料乙醇产量占全球总产量的30％。
欧洲是利用沼气最早、技术最成熟的地区，1860年，法国科学家穆拉发明了世界上第一个沼气发生器。德国是沼气利用最多的国家，拥有较为完善的沼气研发利用体系和政府能源管理政策，1976年德国建设了第一座工业化沼气生产工程，截至2018年，德国沼气项目9494个，沼气年发电量331亿千瓦·时。
东南亚地区生物柴油的生产起步较晚，但发展速度较快，盛产棕榈油的马来西亚和印度尼西亚，是东南亚地区生物柴油发展最快的国家，两国粗棕榈油总产量约占全球产量的85％。
截至2020年底，中国已投产生物质发电项目1353个，并网生物质发电装机容量达29．52吉瓦，年发电量1326亿千瓦·时，年上网电量1122亿千瓦·时，是世界上生物质发电装机容量规模最大的国家。中国湛江每年大概有400万亩桉树林可以砍伐，由于桉树生长周期短，加工过程产生废料多，这些废料都可以作为生物质发电厂的燃料，此外，秸秆、甘蔗叶和甘蔗渣也是可用的电厂燃料。因此湛江建设了生物质发电厂，规划总装机容量为4×50兆瓦，一期工程2×50兆瓦，是中国国内单机容量及总装机容量最大的纯燃生物质发电厂，也是世界上最大的生物质发电厂，每年输出电量达到6．5亿千瓦·时以上。
生物质能是最具发展前景的绿色低碳能源，随着科技的发展，一家一户的灶台早已无法容纳日益壮大的生物质能应用。生物柴油、生物乙醇、生物质发电与沼气发电，取代了薪柴成为生物质能利用的四条新主线，经过三次能源革命后，生物质能再次成为能源结构的主体之一。欧美等发达国家已经拥有了非常成熟的生物质发电技术，其中一些国家甚至以生物质发电和供热作为主要能源来源。中国的生物质能利用技术起步较晚，但发展速度很快，期待中国的生物质能应用像农业时代薪柴一样，成为能源领域的重要组成。
2．沼气
人类发现、利用沼气已有悠久的历史。1776年，意大利科学家沃尔塔研究沼泽水底冒出的一连串的气泡，分析其主要成分为甲烷和二氧化碳等气体。由于这种气体产生于沼泽地，故俗称“沼气”。科学地讲，沼气是人畜粪便、秸秆、污水等各种有机物在密闭的沼气池内，在一定的水分、温度和厌氧（没有氧气）条件下，经过种类繁多、数量巨大且功能不同的各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等混合性气体的复杂的生物化学过程。研究发现，沼气不只含有甲烷和二氧化碳，还有少量的氢气、氮气、一氧化碳和硫化氢。由于低浓度的硫化氢有臭鸡蛋的气味，所以沼气总是会带有臭味儿。
沼气是一种分布广泛的资源，含甲烷浓度为50％～65％的沼气，经过净化提纯工艺后，可以得到含甲烷浓度90％以上的生物天然气。沼气的产生包含三种类型的转化机制，分别是水解、氧化还原和甲烷化，生产流程并未严格切割三种转化的顺序，而是令这些转化在同一反应容器中同时自由发挥。水解转化主要是微生物分解有机质，形成溶于水的小分子化合物。氧化还原转化主要是利用产氢菌和产酸菌，把水解产生的单糖、多肽、氨基酸等小分子，转化为简单的有机酸、醇和二氧化碳、氢气、硫化氢等。甲烷化转化是最终产生甲烷的步骤，包括多种反应，如有机酸分解成甲烷和二氧化碳，或氢气还原二氧化碳形成甲烷，或以甲基化合物为原料生物合成甲烷。
中国沼气装置建设起步于20世纪70年代，当时广大农村地区生产队集中圈养牲畜，沼气原料比较充足，沼气也极适用于农村大食堂等集体用能场景，一时间沼气利用红红火火地发展起来。但是，中国农村的沼气利用兴盛过一段时间后，慢慢又归于沉寂。主要是原料来源、装置维护等方面的原因。农村沼气生产的主要原料是猪粪、秸秆、污泥和水等，生产出来的沼气量较小，大多用于取暖、炊事和照明等低能量强度的应用。农村沼气的原料来源非常有限，一户两户的原料供应可能不会有问题，家家户户一起建沼气装置，原料就会供应不足。沼气装置的维护也是一个大问题，虽然沼气装置可以是很小型的简化装置，但仍不能改变它是一个生物化工装置的本质，对它的维护应该是专业的、工业化的，这个要求在农村难以普遍得到满足。
随着社会对可再生能源需求的增加，沼气再次走进人们的视野。沼气应用终于走向了大型工业化工程的发展道路，主要包括大规模集中供气（城镇管道生物燃气）、燃气发电（热电联产）、车用燃气和沼气燃料电池等。未来沼气技术必定会紧跟城市化与现代化的发展脚步而更加普及。
3．燃料乙醇
粮食问题历来是人类社会优先考虑的大问题。儒家经典《礼记·王制》提到：“国无九年之蓄曰不足，无六年之蓄曰急，无三年之蓄曰非其国也”。意思是说一个国家如果没有三年的存粮，就算不上正常的国家。中国对粮食的重视由来已久，早在战国时期，魏国名相李悝就提出了平籴法，由国家统一管理，在丰收时平价收购粮食储存，发生饥荒时又平价卖给农民，取有余以补不足，以防谷贵伤民，或谷贱伤农。平籴法在汉代演化为常平仓，后来常平仓制度不断以各种形式出现在中国各个朝代，在各朝代兴盛时期均起到良好作用。20世纪30年代，常平仓概念因陈焕章先生在其留美博士论文《孔子及其学派的经济原理》中的介绍而传入美国，促使美国建立了粮食储备制度。
粮食储存是一件利国利民的好事，但也由此产生了粮食陈化的问题。粮食本质上是有机物，不仅人可以食用，虫类及各类微生物也可以食用，加上自然条件下的降解作用，当储存超过一定时间后，粮食的品质会发生变化，变得不宜食用。不同粮食的耐储性能有所区别，小麦通常可以正常储存5年而不变质，大豆则只能保存2年。一般而言，粮食储存超过一年即为陈粮，储存一年至三年的陈粮仍可食用，储存时间超过安全年限的粮食，则需要经检测证明品质良好方可食用。陈粮虽然可以食用，口感和营养却无法与新粮相比，因而价值下降，如果发生变质现象，经济损失就会更大。而燃料乙醇等生物质利用技术则可以充分利用品质下降的陈粮，在一定程度上避免了粮食储存品质下降造成的损失。
燃料乙醇是指通过微生物的发酵，将各种生物质转化为燃料酒精。它可以单独或与汽油混配制成乙醇汽油作为汽车燃料。第一代燃料乙醇是将玉米、小麦等粮食作物作为原料，将粮食中的淀粉经过微生物发酵转化为糖类，再由糖类发酵转化为乙醇。
燃料乙醇是世界消费量最大的液体生物燃料。据美国可再生燃料协会统计，2019年（2020年，受新冠肺炎疫情影响，全球燃料乙醇产量大幅下降），世界燃料乙醇产量8672万吨，比2014年增长16％，混配出约6亿吨乙醇汽油，超过同期全球车用汽油消费总量的60％。全球已经有66个国家推广使用乙醇汽油。美国是全球第一大燃料乙醇生产国，2019年产量约占全球总产量的54％，主要以玉米为原料。E10乙醇汽油在美国基本实现全境覆盖，并逐步开始使用E15乙醇汽油。巴西是世界第二大乙醇汽油生产国和消费国，以甘蔗为主要原料，2019年产量约占全球总产量的30％，燃料乙醇替代了巴西国内约一半以上的汽油。中国目前市面销售的车用乙醇汽油，是指在汽油组分中按体积加入10％变性燃料乙醇调和后作为汽车燃料用的汽油，因此也称“E10乙醇汽油”。中国已成为世界上继巴西、美国之后第三大生物燃料乙醇生产国和应用国。
我们永远也不要小瞧工业化生产的威力，事实上，每年替换下来的陈粮，根本无法满足大规模生产燃料乙醇的工业需求，于是许多已建成的燃料乙醇生产装置将目光投向了新粮，甚至专门安排原料种植的土地，形成了与人争粮和与粮争地的现象，这是生物质利用装置建设之前未曾预料的局面。因此，中国已经不再建设新的以玉米为主要原料的燃料乙醇项目，而是大力鼓励发展以非粮作物为原料开发燃料乙醇。各大燃料乙醇公司不得不寻找非粮原料的燃料乙醇发展路径，木薯、甘蔗、甜高粱等原料成为发展的重点。
与风能、太阳能相比，燃料乙醇燃烧后，虽然会排放二氧化碳，但是由于生产燃料乙醇的植物，在生长过程中本身又吸收二氧化碳，从循环角度来讲，它也属于符合低碳概念的清洁能源。利用陈粮生产燃料乙醇，虽然不宜持续扩大生产能力，但这种陈粮消纳方式在粮食储备循环中的作用非常重要，一方面可以改善城市粮食供应品质，另一方面又提供了清洁的动力燃料。因此，以陈粮为原料生产燃料乙醇是现代社会运行体系中比较重要的环节。
4．生物航油
餐馆酒店在经营过程中会产生大量餐饮废油，其中相当一部分被排放到下水系统，所以餐饮废油常被称为地沟油。地沟油的处理历来是一件比较麻烦的事情，甚至被一些不良商家回流到餐桌。
2015年，一则“地沟油开飞机”的信息让人们兴奋不已，中国石化自主研发的生物航油载客商业首飞成功，飞行使用生物航油的原料是餐饮废油，标志着中国航空业在节能减排领域中进入新的阶段。
生物航油又称“绿色航油”，是可用作飞行燃料的一种低碳环保的生物航空煤油。生物航油的主要原料为棕榈油、餐饮废油，在使用时需要与普通航油按照1∶1比例加注到飞机上。
生物航油质量标准要等同于高标准的航空煤油。因此，生物航油也称为生物航煤，其性能与普通航油非常相似，是优质的化石燃料替代品。为了保证飞行安全，这类混合油必须要经过民航局严格审查，完成发动机台架验证和试飞验证，获得生物航油技术标准规定项目批准书（CTSOA），才能投入使用。
生物航油是“环境友好型选手”，可降低飞行过程的总体碳排放量，对减少柴油消耗、缓解高品质燃料油供应紧张的问题有重要的意义。生物航油又是如何从地沟油变废为宝的呢？生物航油主要是通过酯交换化学反应获得，在其生产工艺中有两个“拦路石”，即地沟油含水与高冰点。人们都知道餐饮废油在气候寒冷的环境会凝固，必须降低它的冰点，才能保证航油在低温环境下正常燃烧利用。生物航油生产中难以避免产水，而水分会使降低地沟油冰点的催化剂失效，形成了难以调和的矛盾。中国石化研发了新脱水工艺和新型催化剂，解决了地沟油脱水和常温下流动差的问题。通过实验测试，新工艺生产出来的生物航油冰点由0℃以上降至零下40℃以下，至零下61℃才开始有结晶反应，远超普通航油对冰点的要求，缺点是成本较传统航煤高2～3倍，工艺仍比较复杂。
随着国际民航业的发展，全球航空燃料碳排放已占全球碳排放总量的2％，目前这一比例仍在不断上升。相较于传统航煤，生物航煤可实现减排二氧化碳55％～92％，不仅可以再生，具有可持续性，而且无需对飞机发动机进行改装，具有很高的环保优势和适航性。
生物航煤技术将废弃油回收再利用，解决了地沟油流向餐桌的社会问题，同时为减少碳排放提供了新方案。餐饮废油用于燃料的技术路线，今后将成为城市生态圈和碳循环的重要组成部分。
5．秸秆发电
随着社会发展，中国农业正在从一家一户的个体模式，向大规模工业化模式转变，农村用能也从零散的自主解决向现代化燃气供应转化，在这个过程中，秸秆问题成为一个进退两难的痼疾。
秸秆问题出现的最根本原因，在于农业现代化发展过程中，秸秆从家用燃料位置上的退出。原来一家一户的农业生产模式中，秸秆几乎是每个家庭唯一的燃料，取暖做饭都要靠秸秆。随着社会发展，秸秆作为燃料既不充足，也得不到环保部门的认可，于是秸秆成为需要加以处理的农业废弃物。曾经有专家建议将秸秆在农田里就地粉碎作为底肥，既可以改善土壤透气性，又能恢复土壤肥力。就地粉碎方法在部分地区推行过一段时间后，随之而来的新问题令人大跌眼镜。首先是秸秆的量太大了，降解速度跟不上生产需求，本来作为底肥的秸秆成为土壤漏气漏水的元凶，直接干扰了农业生产。另外，秸秆就地粉碎把大量虫卵和病菌留在了农田当中，会在接续的生产过程中引发非常严重的病虫害，造成了很坏的影响。这两个问题使就地粉碎秸秆的道路被彻底堵死。于是在中国许多地区，出现了秸秆被当作农业废料就地焚烧的现象，尤其在春季耕种之前，高涨的火焰和滚滚黑烟弥漫在农村的田间地里，造成严重的环境污染。
秸秆真的毫无用处吗？答案是不仅有用，而且还是一种宝贵的生物质可再生能源，2吨秸秆的热值相当于1吨标煤，且秸秆燃烧过程中，造成的二氧化碳和二氧化硫排放增量远远少于煤燃烧。发电是秸秆有效利用的一种重要途径，其原理是秸秆通过燃烧，由化学能转换为蒸汽热能，在汽轮机中，蒸汽的热能转变为在叶轮旋转的机械能，最后在发电机中机械能转换为电能。
秸秆是如何发电的呢？有四种途径可以实现。
一是直接燃烧发电。燃烧发电是最成熟、发展规模最大的现代生物质能利用技术，其技术原理是将秸秆等低密度生物质经过简单处理，直接投入燃烧炉进行发电。该技术方式较气化发电多消耗生物质30％，不适宜配高功率参数发电机，综合效率较低。
二是混合燃烧发电。将生物质原料与煤混合作为燃料，可以直接燃烧，也可先气化生物质原料，将燃气与煤混合燃烧产生的蒸气送入汽轮机发电机组。
三是气化发电。经过气化炉的生物质原料转变为气体燃料，净化后直接在燃气机中燃烧发电或者在燃料电池中发电。
四是沼气发电。将生物质和生活污水一起混合放置在水解池中，除去杂质后，按一定比例送至反应罐中进行发酵，生成的气体经处理后得到符合燃气发电要求的沼气，再将这些沼气送入内燃机燃烧发电。
秸秆处理是农业大国发展过程中的普遍问题，是中国从农业社会向工业社会发展过程中无法回避的诸多问题之一。中国是秸秆资源大国，每年可收集秸秆资源量多达7亿吨，且产量仍在逐年增加。处理这些秸秆最好的办法，就是把它们充分利用起来。发电是秸秆资源利用的重要方向。借助良好的生物质发电产业基础，一定能够妥善处理中国的秸秆问题，把秸秆废物变为发电宝物。